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        激光位移傳感器在冰箱壓縮機測試中的應(yīng)用

        2021-06-15 11:42:52楊仲黃剛肖帥宋東東殷田甜
        家電科技 2021年3期
        關(guān)鍵詞:千分表閥片壓縮機

        楊仲 黃剛 肖帥 宋東東 殷田甜

        安徽美芝制冷設(shè)備有限公司 安徽合肥 230031

        1 引言

        壓縮機在承受載荷時會發(fā)生微小變形,變形的大小將直接影響零部件之間的裝配以及余隙容積等,因此準確測試結(jié)構(gòu)的變形對結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證至關(guān)重要。測試與分析結(jié)構(gòu)微變形的方法有很多種[1-8],最傳統(tǒng)最常用的是千分表(如圖1所示)測試,通過機械探針接觸被測物體表面,讀取表盤的指針獲得結(jié)構(gòu)的變形量,該方法的精度可以達到1 um,但是千分表在使用過程中存在一些缺陷:首先,探針必須與被測物體接觸,而對某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的待測表面,不太容易將探針伸進去;其次,千分表是靠人工讀數(shù),當結(jié)構(gòu)變形比較快時(如振動),人工讀數(shù)是很難實現(xiàn)的。因此,在這樣的背景下,需要開發(fā)新的測試方法來解決這些問題。

        本文應(yīng)用激光位移傳感器(如圖2所示)開發(fā)一套位移測試系統(tǒng),該系統(tǒng)很好地解決了千分表存在的缺陷,實現(xiàn)了非接觸式快速測試,同時通過數(shù)據(jù)采集卡和軟件系統(tǒng)可以快速記錄測試數(shù)據(jù),并且在軟件里面快速進行數(shù)據(jù)處理,提取有價值的信息。

        圖1 千分表(指針式、數(shù)字式)

        圖2 激光位移傳感器

        2 測試裝置

        圖3為測試系統(tǒng)原理圖,系統(tǒng)主要包括激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、定制化測試軟件幾個部分。圖4為測試裝置實物圖,激光位移傳感器集成了激光的發(fā)射與接受裝置:探頭首先發(fā)出激光束,打在被測試結(jié)構(gòu)表面,被測試表面反射回激光束,傳感器接受裝置測試反射回的激光,通過內(nèi)部信號處理器計算出傳感器和被測物體之間的距離,通過自身顯示屏顯示距離數(shù)值并且輸出等比例的模擬電壓,精度達到1 um,最高響應(yīng)頻率為10 kHz,可滿足結(jié)構(gòu)微變形與振動的高精度測試需求。模擬信號數(shù)據(jù)采集卡的作用是將傳感器的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,傳輸給計算機。定制化測試軟件主要是獲取數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字信號,并進行信號處理,如傅里葉變換等頻率分析功能,本文的測試軟件(如圖5所示)采用LabVIEW環(huán)境開發(fā)。

        圖3 測試系統(tǒng)原理示意圖

        3 測試裝置在往復(fù)式壓縮機中的驗證

        本文采用該測試系統(tǒng)對往復(fù)式壓縮機的結(jié)構(gòu)變形與吸氣閥片的固有頻率進行測試驗證,同時與千分表和有限元仿真結(jié)果對比,激光傳感器測試結(jié)果與千分表測試結(jié)果以及理論分析結(jié)果基本一致。

        圖5 測試系統(tǒng)軟件界面

        3.1 氣杠蓋與連桿大頭的位移量測試驗證

        往復(fù)式壓縮機在壓縮氣體的時候,氣體分別給活塞以及閥組一對反作用力,如圖6所示,在氣體力的作用下,閥組連同氣缸蓋將會向遠離曲軸的方向發(fā)生微小位移,而活塞將會推動連桿向靠近曲軸的方向位移,兩者之差會在氣缸內(nèi)部產(chǎn)生余隙容積,從而降低壓縮機的制冷量。因此,在壓縮機開發(fā)測試過程中,需要準確測試缸蓋與連桿大頭在氣體力下的位移量,盡量優(yōu)化結(jié)構(gòu),減小這兩處變形。

        圖6 施加在活塞和閥組上的氣體壓力

        針對某一款往復(fù)式壓縮機,取出機芯結(jié)構(gòu)并固定在臺鉗上,連接排氣管與高壓氣瓶,將激光傳感器安裝在三軸升降臺上,通過升降臺微調(diào)使得激光測試點準確打到待測點上,注意測試過程中不能遮擋激光光線,連接激光傳感器信號端到數(shù)據(jù)采集卡,再將數(shù)據(jù)采集卡連接到電腦USB口,實現(xiàn)軟件硬件的數(shù)據(jù)通信。實驗測試過程中,將排氣管逐漸充入3 MPa壓強的氣體,采用激光測試系統(tǒng)、千分表、有限元三種方法進行對比驗證。圖7為激光傳感器測試系統(tǒng),圖8為應(yīng)用CAE軟件分析得到的曲軸箱變形云圖,圖9給出了三種方法測試結(jié)果的對比曲線。以千分表數(shù)據(jù)作為基準,激光法與千分表測試結(jié)果基本一致,偏差在5%以內(nèi),有限元理論分析得到的數(shù)據(jù)作為間接驗證,與激光法和千分表法得到的數(shù)據(jù)偏差在10%左右。通過三種方法的對比,驗證了激光位移傳感器測試系統(tǒng)的準確性。

        圖7 激光位移傳感器測試氣缸蓋軸向位移

        圖8 有限元分析氣體力作用下結(jié)構(gòu)軸向位移

        圖9 激光法、千分表、CAE三種方法測試數(shù)據(jù)對比

        圖10 激光位移傳感器測試吸氣閥片振動

        圖11 吸氣閥片振動位移信號及其頻域分析程序界面

        圖12 有限元分析吸氣閥片的基頻與對應(yīng)的模態(tài)

        3.2 吸氣閥片的振動測試驗證

        往復(fù)式壓縮機在運行過程中,其吸氣閥片不斷的開啟與閉合,頻率與曲軸旋轉(zhuǎn)頻率一致。為了使得閥片有好的跟隨性,同時避免引起共振,閥片一階固有頻率應(yīng)遠高于壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率。因此在閥片設(shè)計過程中,需要分析測試閥片的一階固有頻率,本文通過激光位移傳感器進行振動測試,同時用有限元方法進行模態(tài)分析,將兩者的結(jié)果進行對比驗證。圖10為激光傳感器測試閥片振動裝置,去掉壓縮機上其他多余的零件,只把閥片固定在機架上,激光探頭打在閥片中心,人為撥動閥片產(chǎn)生自由振動,通過激光測試系統(tǒng)獲取振動的位移信號(如圖11所示),再通過軟件分析得到其頻率,測試結(jié)果顯示該型號閥片基頻為168.9 Hz,有限元分析為162.8 Hz(對應(yīng)的模態(tài)如圖12所示),兩者基本一致(千分表無法測量振動)。分別對不同厚度的閥片進行實驗測試與理論分析,得到的數(shù)據(jù)如表1所示,激光測試與有限元分析偏差小于4%,從而驗證了激光傳感器應(yīng)用在壓縮機振動測試中的準確性與可行性。

        表1 激光法與有限元法對比測試不同厚度閥片基頻

        4 結(jié)語

        本文主要建立了一套激光位移傳感器測試系統(tǒng),并且應(yīng)用在往復(fù)式壓縮機的變形與振動測試中,通過與千分表和有限元結(jié)果的對比,驗證了激光位移傳感器測試系統(tǒng)的準確性。對比千分表等傳統(tǒng)測試手段,激光位移測試系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢,如非接觸式、高精度(1 um)、可測試動態(tài)過程(振動)、可使用軟件實時記錄并分析數(shù)據(jù)等。而且,對比其他非接觸式測試方法,該系統(tǒng)成本很低。因此,在冰箱壓縮機開發(fā)與測試中應(yīng)用本文的激光位移傳感測試系統(tǒng)是可行的。

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